李宏毅机器学习：RNN（下）

RNN的Learning

RNN在Learning时如何定义loss function呢？以slot filling 为例，对每个输入xi, 其输出的yi与相应的reference vector计算cross entropy, cross entropy之和就是loss function. 训练时word sequence不能打散，要先用x1 得到y1, 再用x2得到y2. 
定义好loss function之后，用gradient descent做training。gradient descent的算法从BP进阶为BPTT（Backpropagation through time）. 

但是，很遗憾的，RNN的训练是比较困难的，其error surface要么很平缓要么很陡峭。这样在做gradient descent时，参数可能跳到悬崖上，造成loss暴增，或者跳到悬崖边上（gradient很大），造成参数飞出去(NAN)。解决办法是clipping: 当gradient＞某个阈值时，另gradient = 阈值。 

为何RNN会有rough的error surface？ 
并不是因为来自sigmoid的gradient vanish，因为换成ReLU也存在相同问题。（RNN中把sigmoid换成ReLU效果往往更差） 

其实是因为RNN处理的是time sequence, 同样的weight在不同时刻被多次使用。 

（gradient在w=1处很大，在w=0.99处很小）

如何解决这一问题呢？使用最广泛的技巧是LSTM. 
为什么要把一般的RNN换成LSTM？因为LSTM可以处理gradient vanishing的问题：LSTM可以让error surface不那么崎岖，把平坦的部分拿掉，这样解决了gradient vanishing的问题，但没有解决gradient explosion的问题。 
那么，为什么LSTM可以处理gradient vanishing的问题呢？ 
在一般的RNN中，每个时刻neuron的output都会被放到memory中去，所以在每个时刻memory中的值都会被洗掉。但在LSTM中，是把memory中原来的值乘上一个数再加上一个数，即memory和input是想加的关系。所以LSTM中如果weight影响了memory中的值，那么这个影响会永远都存在（除非forget gate决定洗掉memory，有说法认为要给forget gate很大的bias以使其多数情况下开启），而不像SimpleRNN中memory的值在每个时刻都会被洗掉。 
若使用LSTM出现了过拟合，可考虑改用GRU。GRU的精神是“旧的不去，新的不来”，它将input gate与forget gate联动起来：若input gate 开，则forget gate 关。

其它处理gradient descent的技巧还有clockwise RNN, SCRN…… 

如果random初始化一般RNN的weight，那么用ReLU的效果要比用sigmoid的效果差。但[Quoc V. Le, arXiv’15]提出，如果用单位矩阵初始化一般RNN的weight，那么用ReLU的效果要比用LSTM的效果好。